Envelhecimento celular e senescência

Quais são as causas que levam a uma resposta inadequada aos insultos? Como é que um órgão como o pulmão se altera com a idade, tornando a população mais idosa mais suscetível a doenças relacionadas com a idade, como a DPOC, o cancro do pulmão e a fibrose pulmonar idiopática (FPI), levando a uma menor esperança de vida, qualidade de vida e maiores necessidades de cuidados? E até que ponto estamos à procura do Santo Graal que irá parar o envelhecimento e oferecer-nos uma opção de tratamento adequada para a velhice?

Tendo em conta a pandemia de COVID-19 e as suas graves complicações respiratórias, reconheceu-se que os idosos são mais susceptíveis às doenças respiratórias. Em doentes de idade avançada, as consequências de infecções respiratórias como o SARS-CoV-2 são mais graves e a taxa de mortalidade é mais elevada. À medida que a população mundial envelhece, as sociedades e os sistemas de saúde enfrentam um aumento significativo das doenças respiratórias e das complicações que lhes estão associadas. Para além da correlação entre a idade e um aumento da incidência de infecções, observa-se também uma maior prevalência de doenças pulmonares crónicas (DLC) com a idade. Mas quais são as causas que levam a uma reação inadequada aos insultos? Como é que um órgão como o pulmão se altera com a idade, tornando a população idosa mais suscetível a doenças relacionadas com a idade, como a doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC), o cancro do pulmão e a fibrose pulmonar idiopática (FPI), levando a uma menor esperança de vida, qualidade de vida e maior necessidade de cuidados? E até que ponto estamos à procura do Santo Graal que irá parar o envelhecimento e oferecer-nos um tratamento adequado para a velhice e os cabelos brancos?

Senescência

Em geral, o envelhecimento está associado a uma diminuição progressiva da função dos órgãos, tornando as pessoas idosas mais susceptíveis ao desenvolvimento de doenças, seguidas de uma possível morte devido aos desafios diários. Os mecanismos degenerativos subjacentes ao envelhecimento são mecanismos celulares que López-Otín et al. descreveram como uma caraterística do envelhecimento. Recentemente, actualizaram as suas nove marcas anteriores para doze marcas do envelhecimento, que incluem instabilidades genómicas, desgaste dos telómeros, alterações epigenéticas, perda de proteostase, macroautofagia deficiente, sensibilidade desregulada aos nutrientes, disfunção mitocondrial, senescência celular, comunicação intercelular alterada, inflamação crónica, disbiose e esgotamento das células estaminais [1]. Uma caraterística central é a senescência celular e os processos que a acompanham, que foram descobertos há mais de 60 anos por Hayflick e Moorehead. Observaram que os fibroblastos humanos primários em cultura têm um número limitado de replicações antes de entrarem num estado irreversível de paragem do crescimento celular. Desde então, a senescência tornou-se um tópico e um novo campo de investigação para compreender os mecanismos subjacentes e abrir caminho a abordagens farmacêuticas para prevenir e tratar doenças relacionadas com a idade.

Vários sinais de envelhecimento estão associados às doenças pulmonares crónicas mais mortais: DPOC, FPI e cancro do pulmão [2]. A acumulação de células senescentes é considerada uma das principais causas da disfunção dos órgãos na velhice e do desenvolvimento destas doenças. A senescência celular é uma paragem irreversível do crescimento que ocorre após um determinado número de repetições no ciclo celular ou devido a factores exógenos, como o stress. Caracteriza-se pelo facto de a reentrada no ciclo celular e, por conseguinte, a capacidade de proliferação, ser irreversível. A paragem do crescimento pode ser causada pelo encurtamento dos telómeros durante cada replicação ou por danos induzidos no ADN devido ao stress ou a outros factores. Os telómeros são as extremidades dos cromossomas que não contêm informação genética codificada, mas têm uma função protetora.

A enzima telomerase, responsável pela manutenção dos telómeros, é frequentemente alvo de mutações e o mecanismo patológico de certas doenças, incluindo doenças pulmonares crónicas como a FPI. Os defeitos no processo de reparação do ADN e as instabilidades genómicas, juntamente com o encurtamento dos telómeros relacionado com a idade, contribuem para os danos genéticos, outra caraterística do envelhecimento. Os danos no ADN causados pelo encurtamento dos telómeros activam a via supressora de tumores p53 a nível celular. Os factores que contribuem para a senescência incluem o stress celular, a radiação ionizante, as terapias citotóxicas e as mutações somáticas que levam à ativação da via de sinalização p16. A ativação das vias de sinalização p53 e p16 conduz à indução de p21, um marcador de senescência, e, por conseguinte, à paragem do ciclo celular. Uma célula senescente é caracterizada pela secreção de citocinas pró-inflamatórias e pelo fenótipo secretor associado à senescência profibrótica (SASP), através do qual a célula medeia as suas funções célula-externas. O SASP é constituído por várias citocinas e mediadores inflamatórios que actuam como mensageiros de sinalização. Um deles é o fator de crescimento transformador beta (TGF-β). O TGF-β induz a senescência nas células circundantes através de secreção parácrina, levando à remodelação dos tecidos (Fig. 1) . Além disso, o SASP recruta células imunitárias, como macrófagos, neutrófilos, células natural killer (NK) e células T, o que leva à eliminação de células senescentes por fagocitose e apoptose, uma morte celular programada. Em conjunto, isto leva à exaustão das células estaminais e a uma inflamação crónica. As alterações epigenéticas e relacionadas com a idade no comportamento intrínseco de crescimento das células e na comunicação intercelular podem também contribuir para a depleção observada de células estaminais e levar a uma diminuição da função regenerativa de todo o corpo humano.

As pessoas mais velhas são mais susceptíveis a agentes patogénicos externos

A perda de proteostase pode ser explicada pela desregulação da função proteasomal, que leva a uma degradação ineficiente das proteínas da própria célula. Isto pode levar a uma maior acumulação de produtos residuais no interior da célula, resultando numa resposta exagerada ao stress celular. Podem também ser observadas alterações metabólicas como o aumento da glicólise, a disfunção mitocondrial e a ocorrência de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Enquanto os níveis baixos de ERO desencadeiam geralmente a apoptose, os níveis elevados de ERO estão associados ao envelhecimento. Este stress oxidativo pode contribuir para a redução da atividade proteasomal, a regulação positiva da transcrição de p53, a indução de p21 e a senescência induzida pelo stress [3].

O corpo humano funciona através da interação de vários sistemas de órgãos circulantes que se influenciam mutuamente. Em resposta ao contacto com agentes patogénicos causadores de doenças, a primeira linha de defesa do organismo envia um sinal ao sistema imunitário inato para combater a invasão, eliminando a ameaça e evitando assim danos nos tecidos. Uma vez que os idosos são mais susceptíveis a doenças desencadeadas por agentes patogénicos externos, como os vírus, e que a inflamação crónica também é considerada uma caraterística do envelhecimento, é crucial investigar as alterações do sistema imunitário relacionadas com a idade e a sua potencial contribuição para as doenças relacionadas com a idade ou mesmo o seu efeito preventivo. As células imunitárias são recrutadas pelo SASP segregado pelas células senescentes, o que constitui mais uma razão para estudar o sistema imunitário no contexto do envelhecimento. O processo de envelhecimento do sistema imunitário é conhecido como imunosenescência e foi originalmente descrito por Roy Walford.

Em resumo, o sistema imunitário envelhecido não consegue eliminar eficazmente as células senescentes, o que leva a um aumento do seu número e acumulação. As características e as alterações do envelhecimento acima descritas aplicam-se igualmente ao sistema imunitário. Estudos recentes revelaram várias características do sistema imunitário envelhecido. Um aspeto fundamental é o fenómeno da “inflamação”. Como Claudio Fransceschi descobriu em 2000, o envelhecimento conduz a uma inflamação crónica constante e de baixo grau, que se caracteriza por um aumento dos marcadores inflamatórios na corrente sanguínea. Outra alteração significativa na velhice é a regressão do timo, que leva a uma alteração da composição celular. Isto leva a uma produção reduzida de linfócitos T no timo, mas também a um número reduzido de linfócitos B na medula óssea e a uma diminuição das células T naive frescas. Além disso, os linfócitos maduros são menos funcionais e as células T são menos activadas. Como resultado, a função do sistema imunitário adaptativo diminui consideravelmente. A estimulação antigénica prolongada por factores ambientais e agentes patogénicos com o aumento da idade pode estimular ainda mais o sistema imunitário através da ativação constante dos macrófagos, conduzindo a um stress crónico e a um estado inflamatório. Além disso, a função das células individuais deteriora-se com o avançar da idade. Os macrófagos têm uma capacidade fagocítica reduzida, enquanto as células apresentadoras de antigénios têm uma capacidade reduzida devido à diminuição da expressão de co-receptores e de moléculas MHCII, que são cruciais para reconhecer os agentes patogénicos invasores e eliminar a função de ligação. Esta tomada de consciência relativamente recente da forma como o sistema imunitário contribui para o processo de envelhecimento levou a muitas questões sobre a compreensão, mas também sobre possíveis intervenções e a um volume considerável de investigação em curso [4].

No entanto, é importante compreender que a senescência é um fenómeno natural e necessário. Ao alertar o sistema imunitário para eliminar as células senescentes, previne-se a instabilidade genómica e a acumulação de danos no ADN. A ativação de certos oncogenes e a perda de genes supressores de tumores induzem a senescência. Neste contexto, a senescência induzida por oncogenes actua como supressão tumoral, promovendo a eliminação de tumores e evitando assim a acumulação de células senescentes e a potencial ocorrência de disfunção orgânica. A senescência já está presente nos pulmões imediatamente após o nascimento e desempenha um papel central no desenvolvimento pós-natal dos pulmões. No entanto, com o aumento da idade, o equilíbrio entre a acumulação e a degradação das células senescentes altera-se [5].

Envelhecimento dos pulmões

As doenças pulmonares crónicas, em particular a DPOC, tornaram-se a terceira causa de morte mais comum. Os factores que contribuem para esta tendência alarmante incluem o aumento dos factores de risco, como a poluição e o tabagismo, mas o envelhecimento da população também desempenha um papel importante nesta evolução [6]. Os pulmões ocupam uma posição única como órgão que está ativamente exposto ao mundo exterior através da inalação de ar e que transporta potencialmente agentes patogénicos como bactérias, pólen, partículas, vapores e muitos outros. Consequentemente, uma resposta imunitária que funcione bem é de importância crucial. Como já foi referido, sabe-se que o processo de envelhecimento conduz a uma resposta imunitária menos robusta, um fenómeno conhecido como imunosenescência. Com base nestes conhecimentos, foram desenvolvidas vacinas especiais para a população idosa que contêm uma maior concentração de antigénio e um reforço adicional para melhorar a resposta imunitária.

Para compreender como é que os pulmões mudam com a idade, temos de olhar mais de perto para a sua estrutura. Dois brônquios principais estendem-se da traqueia para cada pulmão. Estes ramificam-se em brônquios mais pequenos e, finalmente, em bronquíolos. Nas extremidades destes bronquíolos encontram-se os alvéolos, onde se efectuam as trocas gasosas (Fig. 2) . Os alvéolos dos pulmões são constituídos por diferentes tipos de células que, em conjunto, contribuem para a sua funcionalidade. A membrana alveolar, constituída por células epiteliais alveolares, está coberta por uma camada de surfactante e reveste a superfície interna do alvéolo, que entra em contacto com o ar inalado. À volta destes alvéolos, as células endoteliais formam os capilares responsáveis pelo fornecimento de sangue desoxigenado aos alvéolos e pelo transporte de sangue rico em oxigénio dos pulmões para o resto do corpo humano. O tecido conjuntivo sob a forma de uma matriz extracelular (ECM) e os fibroblastos que a produzem estão localizados entre estas células endoteliais e as células epiteliais alveolares no alvéolo. Além disso, as células imunitárias, tanto circulantes como sésseis, como os macrófagos alveolares, estão presentes no tecido pulmonar e desempenham um papel decisivo na defesa primária contra os agentes patogénicos invasores. As células epiteliais alveolares do tipo 2 (AEC2), que produzem surfactante para reduzir a tensão superficial nos alvéolos, funcionam como células estaminais epiteliais do pulmão. São capazes de se diferenciar, através de fases intermédias, em células epiteliais alveolares de tipo 1 (AEC1), que são responsáveis por facilitar as trocas gasosas. Estas AEC1 constituem a maioria das células dos alvéolos [7].

O envelhecimento provoca várias alterações, incluindo mudanças na composição celular dos pulmões. Em particular, pode ser observada uma diminuição do número de células epiteliais alveolares e um aumento de fibroblastos e células endoteliais. Estas alterações são acompanhadas por um aumento dos alvéolos, uma redução da elasticidade pulmonar e um espessamento das paredes das pequenas vias respiratórias, o que conduz a uma redução global da capacidade pulmonar. Estas alterações são atribuídas à depleção de células estaminais pulmonares e a uma composição alterada da MEC. Uma maior predisposição para a pneumonia na população idosa tem sido explicada pela redução da depuração mucociliar e por uma menor frequência de batimentos ciliares do epitélio ciliado respiratório nas vias respiratórias, que desempenha um papel central na depuração de agentes patogénicos [2].

Mutações genéticas levam ao encurtamento dos telómeros na FPI

As doenças pulmonares intersticiais fibrosantes, como a FPI, caracterizam-se pela formação progressiva e irreversível de tecido cicatricial no parênquima pulmonar. Paralelamente à DPOC, que é uma doença relacionada com a idade, a FPI está fortemente associada ao envelhecimento. Embora se considere que os fibroblastos são um dos principais tipos de células responsáveis pelo desenvolvimento e progressão da FPI, produzindo uma MEC aumentada e, consequentemente, tecido cicatricial, foram observadas numerosas alterações específicas das células nos diferentes tipos de células. Foram identificadas mutações nos genes dos telómeros em amostras de doentes, que conduzem a telómeros encurtados na FPI. No AEC2, em particular, foram identificadas numerosas mutações genéticas associadas a danos no ADN e atribuíveis a alterações teloméricas. Por conseguinte, a erosão dos telómeros é considerada um dos factores determinantes da FPI. Além disso, a disfunção mitocondrial e a presença de SASP são detectadas nos pulmões da FPI. Análises posteriores revelaram marcadores tecidulares específicos associados à apoptose e à senescência nas AEC2s, como p21, p16 e um aumento da ativação da beta-galactosidase associada à senescência (SA-β-galactosidase) em comparação com os controlos. A SA-β-galactosidase serve como um biomarcador adicional para medir a senescência nas células. Globalmente, o aumento da atividade de senescência observado na FPI prejudica a capacidade regenerativa das células estaminais pulmonares e, consequentemente, afecta a regeneração pulmonar global [8,9].

Uma vez que os pulmões estão expostos a agentes patogénicos provenientes do exterior, necessitam de um mecanismo de defesa local. Existem células imunitárias residentes e circulantes nos pulmões, a maioria das quais são macrófagos alveolares (AM). Estas AMs especializadas actuam como a primeira resposta do sistema imunitário. No pulmão homeostático, os AM segregam citocinas anti-inflamatórias para manter o ambiente pulmonar até serem activados por agentes patogénicos. No entanto, no pulmão envelhecido ou durante a inflamação, os AMs libertam mediadores inflamatórios, tais como citocinas pró-inflamatórias, afectando assim as células epiteliais alveolares e outros tipos de células do pulmão. Entre as citocinas pró-inflamatórias segregadas, o TGF-β tem uma influência específica sobre as células. Os fibroblastos são activados pelo TGF-β e levados a diferenciar-se em miofibroblastos. Uma vez que os fibroblastos produzem componentes da MEC, a sua ativação leva à sua expansão. Isto leva à fibrose, tipicamente caracterizada por uma maior deposição de ECM, que impede uma troca gasosa suficiente devido a uma maior distância entre a AEC1 e os capilares. Como já foi referido, esta alteração é considerada uma das principais causas da FPI [4]. Além disso, o comprometimento da função do sistema imunitário associado ao processo de envelhecimento e a sua defesa reduzida contra agentes patogénicos podem exacerbar ainda mais a FPI persistente e a sua progressão.

O interesse crescente pela senescência não só contribuiu significativamente para a compreensão deste processo, como também para encontrar uma cura para as doenças relacionadas com a idade. Foram lançados novos senolíticos no mercado farmacêutico, mas ainda não são utilizados na prática clínica. Tal como o seu nome sugere, os senolíticos corrigem a senescência através da inibição das vias anti-apoptóticas das células senescentes (SCAP), induzindo assim a apoptose nas células senescentes e limitando potencialmente a disfunção relacionada com a idade. Em estudos recentes, os senolíticos dasatinib, um inibidor da tirosina quinase, e quercetina, um inibidor não específico da quinase que tem como alvo os módulos metabólicos responsáveis pelos genes SCAP, foram investigados em doentes com FPI em ensaios clínicos. O efeito positivo sobre o epitélio alveolar e a resposta inibidora da fibrose destes medicamentos foi demonstrado em estudos experimentais ex vivo [10].

Estudos sublinham a capacidade de modulação das células imunitárias pelas células estaminais

Apesar de todos os esforços, o Santo Graal ainda não foi encontrado e nenhum senolítico foi ainda aprovado como opção de tratamento devido a uma seletividade insuficiente ou a efeitos secundários. No entanto, estão a decorrer ensaios na fase inicial, abrindo caminho para futuros avanços. Muitas interacções celulares, tais como a interferência com o sistema imunitário, no desenvolvimento e progressão da senescência ainda não são totalmente compreendidas, o que realça a necessidade de mais investigação, especialmente tendo em conta o envelhecimento crescente da população.

No nosso grupo de investigação, concentramo-nos nas alterações senescentes, especialmente no pulmão distal. O foco mais recente é sobre os efeitos do sistema imunitário deficiente no epitélio alveolar. Estudos recentes sublinham a capacidade de modulação das células imunitárias pelas células estaminais. Tal como descrito acima, as células senescentes recrutam células imunitárias, como os macrófagos, através de vários mediadores, a fim de as eliminar. Por outro lado, os macrófagos segregam várias citocinas, incluindo a interleucina 1β (Il-1β), 6 (Il-6) ou o fator de necrose tumoral α (TNF-α), que afectam diretamente as células estaminais, prejudicando as suas capacidades de proliferação e diferenciação, estando também associadas à imunossenescência. Desenvolvemos um modelo de células estaminais imunes-organóides para estudar a interação entre as células estaminais alveolares e os macrófagos alveolares (AM) e mostramos que os AM e o seu secretoma podem influenciar o comportamento das células estaminais das células epiteliais alveolares de diferentes formas. No futuro, este modelo pode ser expandido para encontrar possíveis opções de tratamento que intervenham no efeito imunoregulador que o sistema imunitário envelhecido tem na função das células estaminais alveolares.

Mensagens para levar para casa

• O mecanismo subjacente ao envelhecimento é a senescência, uma saída irreversível do ciclo celular.
• A senescência é um processo fisiológico que tem influências protectoras e promotoras do desenvolvimento, mas que também contribui para a fisiopatologia de várias doenças.
• A fim de travar o processo de senescência em doenças como a fibrose pulmonar idiopática, está a ser investigada a utilização de senolíticos.

Literatura:

1. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, et al: Hallmarks of aging: Um universo em expansão. Cell 2023; 186(2): 243-278.
2. Meiners S, Eickelberg O, Königshoff M: Hallmarks of the ageing lung. European Respiratory Journal 2015; 45(3): 807-827.
3. Muñoz-Espín D, Serrano M: Cellular senescence: from physiology to pathology. Nature reviews Molecular cell biology 2014; 15(7): 482-496.
4. Li Y, Wang C, Peng M: Aging Immune System and It’s Correlation With Liability to Severe Lung Complications (Envelhecimento do sistema imunitário e sua correlação com a possibilidade de complicações pulmonares graves). Front Public Health 2021; 9: 735151.
5. Yao H, Wallace J, Peterson AL, et al: Timing and cell specificity of senescence drives postnatal lung development and injury. Nature Communications 2023; 14(1): 273.
6. Livro EW: The Burden of Lung Disease (O peso da doença pulmonar). Livro Branco da ERS Sheffield 2013.
7. Barkauskas CE, Cronce MJ, Rackley CR, et al: As células alveolares do tipo 2 são células estaminais no pulmão adulto. The Journal of clinical investigation 2013; 123(7): 3025-3036.
8. Lehmann M, Hu Q, Hu Y, et al: A sinalização crónica de WNT/β-catenina induz a senescência celular em células epiteliais do pulmão. Cell Signal 2020; 70: 109588.
9. Lederer DJ, Martinez FJ: Fibrose Pulmonar Idiopática. N Engl J Med 2018; 378(19): 1811-1823.
10. Lehmann M, Korfei M, Mutze K, et al: Os fármacos senolíticos visam a função das células epiteliais alveolares e atenuam a fibrose pulmonar experimental ex vivo. European Respiratory Journal 2017; 50(2): 1602367.

InFo PNEUMOLOGY & ALLERGOLOGY 2023; 5(4): 16-20